重点与难点

  • 数据库完整性的概念，完整性规则，静态约束，动态约束（触发器）
  • 数据库安全性的概念，安全性访问规则，权利与授权

一. 数据库完整性的概念与分类

1. 数据库完整性的定义

数据库完整性（DB Integrity）是指DBMS应保证的DB的一种特性——在任何情况下的正确性、有效性和一致性。

  • 广义完整性：语义完整性、并发控制、安全控制、DB故障恢复等；
  • 狭义完整性：专指语义完整性，DBMS通常有专门完整性管理机制与程序来处理语义完整性问题（本讲专指）

关系模型中完整性要求：实体完整性、参照完整性、用户自定义完整性

数据库设计中，在E-R图/IDEF1X图中有很多完整性约束条件

2. 数据库完整性的问题

不正当的数据库操作，如输入错误、操作失误、程序处理失误等，会引发数据库完整性问题。

数据库完整性管理的作用：

  • 防止和避免数据库中不合理数据的出现
  • DBMS应尽可能地自动防止DB中语义不合理现象

3. 保证数据库完整性

image-20220313212002619

  • DBMS允许用户定义完整性约束规则（DDL）
  • 当DB更新操作时，DBMS自动按照完整性约束条件进行检测

完整性约束条件（规则）的一般形式：Integrity Constraint ::= (O, P, A, R)

O：数据集合（约束对象），P：谓词条件（什么样的约束），A：触发条件（检查时候），R：响应动作（不满足时操作）

4. 数据库完整性分类

按约束对象分类

  • 域完整性约束条件：施加某一列上，更新候选值是否接受约束条件，孤立
  • 关系完整性约束条件：施加于关系/Table上，更新候选元组或者是关系的若干元组的联系是否接受约束条件
    • image-20220313213219791

按约束来源分类

  • 结构约束：来自于模型的约束，如函数依赖约束、主键约束（实体完整性）、外键约束（参照完整性），只关心数值相等与否、是否允许空值等；
  • 内容约束：来自于用户的约束，如用户自定义完整性，关心元组或属性的取值范围。

按约束状态分类

  • 静态约束：DB在任何时候都应该满足的约束，年龄在0到150之间——列（域）/表（关系）完整性约束
  • 动态约束：DB状态转变时应该满足的约束，如工资只升不降——触发器

二. 利用 SQL 语言实现数据库的静态完整性

image-20220314115117586

1. SQL语言实现约束方法——Create Table

三种功能定义关系模式定义完整性约束（列完整性和表完整性）定义物理存储结构

1
2
3
4
5
6
CREATE TABLE tablename
	((colname datatype [DEFAULT {default_constant | NULL}] [col_constr {col_constr...}]
		|, table_constr
	{, {colname datatype [DEFAULT {default_constant | NULL}] [col_constr {col_constr...}]
		|, table_constr}
	...});

表约束前加逗号，而列约束通常和列的声明结对出现。

1.1 Col_constr 列约束

1
2
3
4
5
{ NOT NULL |
    [Constraint constraintname]
    { Unique | Primary Key | Check (Search_cond) 
    | References tablename [(colname)] [On Delete {Cascade | Set NULL}]}
}

References：引用另一表的列（外键）。如有ON DELETE CASCADE 或ON DELETE SET NULL语句，则删除被引用表的某列值v 时，要将本表该列值为v 的记录删除或列值更新为 null；缺省为无操作 。

例：

1
2
3
4
5
6
Create Table Student (Sid char(8) not null unique,
                      Sname char(10),
                      Ssex char(2) constraint ctssex check (Ssex=‘男’ or  Ssex=‘女’),
                      Sage integer check (Sage>=1 and Sage<150),
                      Did char(2) references Dept(Did) on delete cascade,
                      Sclass char(6));

1.2 Table_constr 表约束

1
2
3
4
5
6
7
8
[Sonstraint constraintname]
	{Unique (colname {, colname ...})				// 几列组合是唯一的
	| Primary Key (colname {, colname ...})			// 几列联合为主键
	| Check (Search_Condition)
	| Foreign Key (colname {, colname ...})
		References tablename [colname {, colname ...}]
		[On Delete Cascade]							// 引用另一表的若干列的值作为外键
	}

例：

1
2
3
4
5
6
Create Table Course (Cid char(3) ,Cname char(12), Chours	integer,
                     Credit float(1) constraint ctcredit check
                     	(Credit >=0.0 and Credit<=5.0 ),
                     Tid char(3) references Teacher(Tid) on delete cascade,
                     primary key(Cid),
                     constraint	ctcc check(Chours/Credit = 20));
1
2
3
4
Create Table SC (Sid char(8), Cid char(3), 
                 Score float(1) constraint ctscore check (Score>=0.0 and  Score<=100.0),
                 forergn key (Sid) references student(Sid) on delete cascade, 
                 forergn key (Cid) references course(Cid) on delete cascade);

1.3 约束中的Check

check 中的条件可以是 Select-From-Where 内任何Where后的语句，包含子查询。

1
2
3
Create Table SC (Sid char(8) check( Sid in (select Sid from student)),
                 Cid char(3) check( Cid in (select Cid from course)) ,
                 Score float(1) constraint ctscore check (Score>=0.0 and Score<=100.0));

1.4 撤销或追加约束——Alter Table

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
ALTER TABLE tblname
	[ADD ({colname datatype	[DEFAULT {default_const|NULL}]
          [col_constr {col_constr...}] | ,table_constr}
          {, colname...})]										// 新增列（不只是约束）
    [DROP {COLUMN columnname | (columnname {, columnname...})}]
    [MODIFY (columnname data-type
             [DEFAULT {default_const | NULL}] [[NOT] NULL]
             {, columnname...})]
	[ADD CONSTRAINT constr_name]
	[DROP CONSTRAINT constr_name]
	[DROP PRIMARY KEY];

例： 撤消SC表的ctscore约束

1
2
Alter Table SC
    DROP CONSTRAINT ctscore;

例： 在Oracle中增加新约束，需要通过修改列的定义来完成

1
2
Alter Table SC
    Modify (Score float(1) constraint nctscore check (Score>=0.0 and Score<=150.0));

有的DBMS支持独立的追加约束。

1
2
Alter Table SC
    Add	Constraint nctscore	check (Score>=0.0 and Score<=150.0));

2. SQL语言实现约束方法——断言ASSERTION

一个断言就是一个谓词表达式，它表达了希望数据库总能满足的条件；

表约束和列约束就是一些特殊的断言；

当一个断言创建后，系统将检测其有效性，并在每一次更新中测试更新是否违反该断言。

1
CREATE ASSERTION <assertion-name> CHECK <predicate>

例： 每个分行的贷款总量必须小于该分行所有账户的余额总和

1
2
3
4
5
6
create assertion sum_constraint check
(not exists (select * from branch
             where (select sum(amount) from loan
                    where loan.branch_name = branch.branch_name)
             		>= (select sum(balance) from account 
                        where account.branch_name = branch.branch_name)))

三. 利用 SQL 语言实现数据库的动态完整性

image-20220314115155077

1. 实现数据库动态完整的方法——触发器Trigger

1
2
3
4
5
6
CREATE TRIGGER trigger_name BEFORE | AFTER
	{INSERT | DELETE | UPDATE [OF colname {, colname...}]}
	ON tablename [REFERENCING corr_name_def {, corr_name_def...}]
	[FOR EACH ROW | FOR EACH STATEMENT]
	[WHEN (search_condition)]
	{statement | BEGIN ATOMIC statement; {statement; ...} END}

含义： 当某一事件发生时（Before|After），对该事件产生的结果（或是每一元组，或是整个操作的所有元组），检查条件 search_condition，如果满足条件，则执行后面的程序段。条件或程序段中引用的变量可用corr_name_def 来限定。

更新前的值和更新后的值（新旧元组/Table的命名），由corr_name_def来区分：

1
2
3
4
5
6
{
	OLD [ROW] [AS] old_row_corr_name
	NEW [ROW] [AS] new_row_corr_name
	OLD TABLE [AS] old_table_corr_name
	OLD TABLE [AS] new_table_corr_name
}

例1： 设计一个触发器当进行Teacher表更新元组时，使其工资只能升不能降

1
2
3
4
5
6
Create trigger teacher_chgsal before update of Salary on Teacher
    referencing new x, old y
    for each row when (x.Salary < y.Salary)
    begin
        raise_application_error(-20003, 'invalid salary on update');
    end;

例2： 假设student(Sid, Sname, SumCourse)，SumCourse 为该同学已学习课程的门数，初始值为0，以后每选修一门都要对其增1。设计一个触发器自动完成上述功能。

1
2
3
4
5
6
7
create trigger sumc after insert on SC
    referencing new row newi
    for each row
        begin
            update student set SumCourse = SumCourse + 1
            where Sid = newi.Sid;
        end;

例3： 假设student(Sid, Sname, Sage, Ssex, Sclass) 中某一学生要变更其主码Sid的值，如使其原来的98030101变更为99030131，此时SC表中该同学已选课记录的Sid也需自动随其改变。设计一个触发器完成上述功能。

1
2
3
4
5
6
create trigger updSid after update of Sid on Student
	referencing old oldi, new newi
	for each row
		begin
			update SC set Sid=newi.Sid where Sid=oldi.Sid;
		end;

例4： 假设student(Sid, Sname, SumCourse), 当删除某一同学Sid时，该同学的所有选课也都要删除。设计一个触发器完成上述功能。

1
2
3
4
5
6
create trigger delSid after delete on Student
	referencing old oldi
	for each row
		begin
			delete SC where Sid=oldi.Sid;
		end;

例5： 假设student(Sid, Sname, SumCourse)，当删除某一同学Sid时，该同学的所有选课中的Sid都要置为空值。设计一个触发器完成上述功能

1
2
3
4
5
6
create trigger delSid after delete on Student
	referencing old oldi
	for each row
		begin
			update SC set Sid = NULL where Sid=oldi.Sid;
		end;

例6： 假设Dept(Did, Dname, Dean)，而Dean一定是该系教师Teacher(Tid, Tname, Did, Salary)中工资最高的教师。设计一个触发器完成上述功能

1
2
3
4
5
6
7
8
create trigger upddean before update of Dean on Dept
	referencing old oldi, new newi
	for each row when (dean not in
		select Tname from Teacher where Did=newi.Did and salary >= all
			(select salary from Teacher where Did=newi.id))
    begin
		raise_application_error(-20003, 'invalid Dean on update');
	end;

四. 数据库安全性的概念及分类

1. 数据库安全性的概念

数据库安全性：DBMS应该保证的数据库的一种特性（机制或手段），免受非法、非授权用户的使用、泄漏、更改或破坏。

涉及方面：法律伦理、公共制度/政策、安全策略等；

数据的安全级别：绝密（Top Secret）、机密（Secret）、可信（Confidential）、无分类（Unclassified）；

数据库系统DBS的安全级别：物理控制、网络控制、操作系统控制、DBMS控制。

DBMS的安全机制：

  • 自主安全性机制：存取控制（Access Control）
    • 权限在用户之间传递，用户自主管理数据库安全性
  • 强制安全性机制
    • 对数据和用户强制分类，不同用户访问不同类别的数据
  • 推断控制机制
    • 防止通过公开信息/历史信息推断出其他/私密信息
  • 数据加密存储机制

2. 数据库的自主安全机制

自主安全性通过授权机制来实现。DBA处获得账户，授予该账户一定权限 依据权限操作数据库 权限转授

DBMS实现自主安全性：用户定义安全性控制规则（DCL） DBMS按照规则检查

2.1 数据库自主安全性访问规则

Access Rule ::= (S, O, t, P) ，表示：S用户对O这个访问对象，在满足P的条件下，拥有t这个权利

  • S：请求主题（用户）
  • O：访问对象（属性/字段、记录/元组、关系、数据库等不同粒度）
  • t：访问权限（创建、增、删、改、查等）
  • P：谓词（拥有权限需要满足的条件）

2.2 两种自主安全性实现方法

image-20220315194723435

存储矩阵

image-20220315195027379

问题在于不能反映条件，即谓词P

视图

视图是安全性控制的重要手段

  • 通过视图可以限制用户对关系中某些数据项的存取
  • 通过视图可将数据访问对象与谓词结合起来，限制用户对关系中某些元组的存取
  • 用户定义视图后，视图便成为一新的数据对象，参与到存储矩阵与能力表中进行描述

视图的形式可以反映出谓词P

五. 利用 SQL 语言实现数据库的自主安全性

1. SQL语言的用户与权利

数据库安全性控制是属于DCL范畴

超级用户（DBA） 账户级别（程序员用户） 关系级别（普通用户）

  • （级别一）Select：读
  • （级别二）Modify：更新
    • Insert：插入
    • Update：更新
    • Delete：删除
  • （级别三）Create：创建（表空间、模式、表、索引、视图等）
    • Create：创建
    • Alter：更新
    • Drop：删除

级别高的权利自动包含级别低的权利

2. DCL命令

2.1 授权命令

1
2
3
4
GRANT {all PRIVILEGES | privilege {,privilege...}}
ON [TABLE] tablename | viewname
TO {public | user-id {, user-id...}}
[WITH GRANT OPTION];
  • privilege 是权利：SELECT | INSERT | UPDATE | DELETE | ALL PRIVILEDGES
  • public 所有有效账户授权，user-id 某一个用户账户
  • WITH GRANT OPTION：允许被授权者传播这些权利

例：

1
2
Grant All Priviledges ON Employee TO Emp2001;
Grant SELECT ON EmpV2 TO Emp5001;

2.2 收回授权命令

1
2
3
REVOKE {all privilEges | priv {, priv...}}
ON tablename | viewname
FROM {public | user {, user...}};

六. 安全性控制的其他简介

1. 自主安全性的授权过程及其问题

授权过程

  • 第一步：DBA创建DB，为每一个用户创建一个账户
  • 第二步：DBA授予某用户账户级别的权利
  • 第三步：具有账户级别的用户可以创建基本表或视图，也自动成为该表/视图的属主账户，拥有该表或该视图的所有访问权利
  • 第四步：拥有属主账户的用户可以将一部分权利授予另外的用户，该用户也可将权利进一步授权给其他的用户

授权的传播范围

  • 水平传播数量：是授权者的再授权用户数目（广度）
  • 垂直传播数量：被授权者再传播给另一个被授权者（深度）

2. 强制安全性机制

数据对象和用户进行安全性分级

绝密（Top Secret）、机密（Secret）、可信（Confidential）、无分类（Unclassified）

  • 用户 S，不能读取数据对象 O，除非 Level(S)>=Level(O)
  • 用户 S，不能写数据对象 O， 除非 Level(S)<=Level(O)

通过扩展关系模式来实现强制安全性机制（多级关系）

image-20220315202716341